[发明专利]一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及CAE系统

摘要

本发明涉及一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及CAE系统，该仿真分析方法先建立渗碳圆柱齿轮单齿轮廓曲面并分层建立均质渗碳层，再利用有限元软件对渗碳齿轮副有限元建模，借助有限元软件对渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析及最劣受载位置齿轮副静接触分析，最后根据分析结果对渗碳齿轮副进行性能评价，为后续的渗碳齿轮结构优化与渗碳工艺改进提供依据，同时基于该方法对ANSYS软件进行二次开发后得到CAE系统。该方法弥补了现有技术无法对渗碳齿轮有效分析的缺陷，替代了传统技术对待渗碳齿轮做均质材料处理的做法，本发明参数化仿真分析方法操作方便，分析结果精确，能够准确模拟并分析渗碳齿轮的实际状况。

主权项

1.一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤，(1)原始参数获取：根据实际工况要求，获取渗碳圆柱齿轮的原始参数，原始参数包括齿形参数、材料参数和工况参数；其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度，材料参数包括主从动轮齿轮本体材料特性参数和主从动轮渗碳层表面材料特性参数，齿轮本体材料特性参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳层表面材料特性参数通过实验或查表获取，工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数；(2)建立渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面：依据齿轮结构原理，分别建立渗碳圆柱齿轮单个轮齿的齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面的参数方程，然后从齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面上按照行列关系和曲面的弯曲程度提取相应的曲面点阵，要求各曲面点阵沿齿宽方向的点数相同，将提取的曲面点阵合并成一个曲面型值点阵，然后采用B样条插值原理将曲面型值点阵插值成一张双三次B样条曲面，此曲面即为渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面；(3)分层建立均质渗碳层：根据步骤(1)中获取的渗碳圆柱齿轮的原始参数，选取渗碳层层数s为3‑6层，利用各渗碳层厚度之间的关系，确定各渗碳层厚度，以各渗碳层厚度作为偏距，依次建立轮齿齿廓曲面的内等距曲面，从而得到相应的均质渗碳层分层面，从外到里依次为第一均质渗碳层、第二均质渗碳层……第N(N＝三、四、五……)均质渗碳层；(4)渗碳齿轮副有限元建模：根据步骤(3)生成的均质渗碳层分层面，利用有限元软件生成一个完整的渗碳轮齿实体，并对生成的渗碳轮齿实体建立映射网格模型，周向阵列得到整体齿轮有限元网格模型；再利用有限元软件的网格细化功能对参与啮合的轮齿进行网格加密，依此建立主、从动轮的有限元模型，并根据主、从动轮的运动关系实现齿轮副的无侧隙装配；(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析：在步骤(4)完成渗碳齿轮副有限元建模后，根据步骤(1)获取的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷，利用有限元软件对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析，分别获取渗碳齿轮副在任意位置啮合时齿轮各部位的应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差值、齿面接触应力和齿根弯曲应力的最大值及其对应的部位、渗碳层的最大剪切应力，并根据获取的结果数据绘制出主从动轮不同渗碳层之间的最大应力差、最大齿面接触应力、最大齿根弯曲应力、渗碳层的最大剪切应力在齿轮啮合过程中的时间历程曲线；(6)最劣受载位置齿轮副静接触分析：通过步骤(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，分析齿轮副在这五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性，根据齿轮传动原理分别旋转主从动轮齿轮副有限元模型，使齿轮副分别在这五个最劣受载啮合位置啮合，利用有限元软件的静接触分析功能定义接触、进行加载和约束、设置载荷加载方式和载荷步数，启动有限元软件完成求解计算，利用有限元软件的通用后处理功能，读取主从动轮在五个最劣受载啮合位置的极限应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差、沿渗碳层的剪切应力分布，进而获取渗碳圆柱齿轮副的渗碳层应力梯度、齿面接触强度、齿根弯曲强度和渗碳层的剪切强度；(7)渗碳齿轮副疲劳寿命计算：根据步骤(6)获得的五个最劣受载啮合位置的极限应力和步骤(1)中的材料参数，分别计算渗碳圆柱齿轮副的接触疲劳强度与寿命、弯曲疲劳强度与寿命和轮齿渗碳层剪切疲劳强度与寿命。